活细胞的编程语言

麻省理工学院的生物工程师创造了一种编程语言，使他们能够快速设计复杂的DNA编码电路，为活细胞提供新的功能。使用这种语言，任何人都可以为他们想要的功能编写程序，例如检测和响应某些环境条件。然后，他们可以生成实现它的DNA序列。

“它实际上是细菌的编程语言，”麻省理工学院生物工程学教授Christopher Voigt说。“你使用基于文本的语言，就像你正在编写一台计算机一样。然后你把这个文本编译出来然后把它变成你放入单元格的DNA序列，然后电路在单元格里运行。 “

波士顿大学和国家标准与技术研究所的Voigt及其同事使用这种语言，他们在4月1日出版的“ 科学”杂志中描述了这种语言，用于构建可以检测多达三个输入并以不同方式响应的电路。这种编程的未来应用包括设计在检测到肿瘤时可以产生癌症药物的细菌细胞，或者如果产生太多有毒副产物则产生可以停止自身发酵过程的酵母细胞。

研究人员计划在Web上提供用户设计界面。

没有经验需要

在过去的15年中，生物学家和工程师设计了许多遗传部分，例如传感器，记忆开关和生物钟，它们可以结合起来修改现有的细胞功能并添加新功能。

然而，设计每个电路是一个费力的过程，需要很多专业知识，而且往往需要大量的试验和错误。“你必须非常了解这些作品将如何发挥作用，以及它们将如何结合在一起，”Voigt说。

然而，新编程语言的用户不需要基因工程的特殊知识。“对于它的运作方式，你可能完全天真。这就是真正的不同之处，”Voigt说。“你可以成为高中的学生，然后进入基于网络的服务器，输入你想要的程序，然后将DNA序列吐出来。”

该语言基于Verilog，它通常用于编程计算机芯片。为了创建适用于细胞的语言版本，研究人员设计了计算元素，如逻辑门和传感器，可以编码在细菌细胞的DNA中。传感器可以检测不同的化合物，例如氧气或葡萄糖，以及光，温度，酸度和其他环境条件。用户还可以添加自己的传感器。“这是非常可定制的，”Voigt说。

他说，最大的挑战是设计电路中使用的14个逻辑门，这样一旦置于活细胞的复杂环境中，它们就不会相互干扰。

在当前版本的编程语言中，这些遗传部分针对大肠杆菌进行了优化，但研究人员正在努力扩展其他细菌菌株的语言，包括常见于人体肠道的拟杆菌和经常生活的假单胞菌。在植物根部，以及酵母Saccharomyces cerevisiae。这将允许用户编写单个程序，然后针对不同的生物编译它以获得每个程序的正确DNA序列。

生物电路

使用这种语言，研究人员编写了60个具有不同功能的电路，其中45个电路在第一次测试时正常工作。许多电路设计用于测量一种或多种环境条件，例如氧气水平或葡萄糖浓度，并相应地作出响应。另一个电路被设计为对三个不同的输入进行排序，然后根据每个输入的优先级进行响应。

其中一条新电路是有史以来最大的生物电路，包含七个逻辑门和大约12,000个碱基对的DNA。

这种技术的另一个优点是速度快。到目前为止，“构建这些类型的电路需要数年时间。现在你只需按下按钮并立即获得DNA序列进行测试，”Voigt说。

他的团队计划使用这种方法研究几种不同的应用：可以吞咽的细菌，以帮助消化乳糖; 如果它们感觉植物受到攻击，那些可以生活在植物根部并产生杀虫剂的细菌; 可以设计成在发酵反应器中产生过多有毒副产物时关闭的酵母。